第8章常用微波元件

第8章常用微波元件分類：線性互易元件，線性非互易元件，非線性元件。按導(dǎo)形系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：波導(dǎo)型、同軸線型、帶狀線型和微帶線型等。按作用：連接元件，變換元件，分支元件，終端元件，移相器和衰減器，定向耦合器，濾波器等。8.1單口元件

One-PortElement完成特殊功能的網(wǎng)絡(luò)稱為元件(Element)。在習(xí)慣上，我們常采用網(wǎng)絡(luò)理論來分析元件。單口元件，是向外只有一個(gè)端口，作為負(fù)載來應(yīng)用。常用的有短路負(fù)載、匹配負(fù)載和失配負(fù)載。作為網(wǎng)絡(luò)單口元件只須用一個(gè)反射系數(shù)ΓL來表示。圖單口元件

一、短路負(fù)載-短路器固定式：用金屬板把波導(dǎo)或同軸線終端封閉起來；可移動(dòng)式：用以短路的金屬板可沿波導(dǎo)或同軸線的軸向移動(dòng)。分為接觸式和非接觸式。

短路活塞要移動(dòng)，太緊的配合會(huì)使移動(dòng)不方便，間隙Δ又會(huì)造成不理想短路。因此，間隙Δ和理想短路構(gòu)成了設(shè)計(jì)的主要矛盾。

接觸式短路器金屬短路板可移動(dòng)，要求它與波導(dǎo)內(nèi)壁有良好接觸。工藝要求高，長(zhǎng)期磨損會(huì)性能下降，很少被采用。在短路活塞端塊的兩個(gè)寬邊上有切槽，并形成許多細(xì)小的彈性片(如磷青銅、鍍銀或鍍銅的優(yōu)質(zhì)彈性鋼片等)，使接觸更加密切。彈性片長(zhǎng)度應(yīng)等于四分之一波導(dǎo)波長(zhǎng)，使短路活塞與波導(dǎo)或同軸線的接觸點(diǎn)在電流節(jié)點(diǎn)處，減少接觸電阻產(chǎn)生的損耗。當(dāng)活塞移動(dòng)時(shí)，接觸不穩(wěn)定，大功率情況下還可能產(chǎn)生火花現(xiàn)象。非接觸式短路器啞鈴式短路器：在一段標(biāo)準(zhǔn)矩形波導(dǎo)中，安置兩個(gè)或多個(gè)直徑為D的圓柱形金屬活塞，活塞之間用金屬細(xì)桿連接起來。每節(jié)活塞與矩形波導(dǎo)構(gòu)成了一段長(zhǎng)度為l1的外矩內(nèi)圓的同軸線，它的特性阻抗Zc1較低；而直徑為d長(zhǎng)為l2的金屬連桿與矩形波導(dǎo)也構(gòu)成了一段外矩內(nèi)圓的同軸線，它的特性阻抗Zc2較高。具有兩個(gè)活塞的啞鈴短路器的等效電路：設(shè)通過短路活塞漏到其后面的功率全被損耗性的材料吸收，而無反射波(相當(dāng)于在活塞后面接有與矩形波導(dǎo)波型阻抗相等的匹配負(fù)載）根據(jù)四分之一阻抗變換器的公式知：從端面c向右看去的輸入阻抗為：從端面b向右看去的輸入阻抗為：從端面a向右看去的輸入阻抗為：Zc1和Zc3與Zc2相比要小得多，所以(Zin)a是很小的量，即啞鈴活塞的輸入端面可近似為一個(gè)等效的短路面。上述分析忽略了不連續(xù)性影響，并有近似。二、匹配負(fù)載

匹配負(fù)載，其功能是吸收功率。作為標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量元件性能，構(gòu)成無(實(shí)際上是小)反射系統(tǒng)。匹配負(fù)載是由一段傳輸線與能夠吸收微波功率的材料組合而成的。根據(jù)傳輸線的類型：波導(dǎo)式，同軸線式，帶狀線式和微帶線式等。技術(shù)指標(biāo)：工作頻帶、輸入駐波比、和功率容量。一般輸入駐波比1.1～1.015之間。微波測(cè)量設(shè)備大功率發(fā)射設(shè)備的負(fù)載或大功率計(jì)的高頻頭功率小功率匹配負(fù)載

中功率匹配負(fù)載

大功率水負(fù)載頻帶寬帶匹配負(fù)載

窄帶匹配負(fù)載材料木材、石墨、羰基鐵、吸收負(fù)載三、失配負(fù)載失配負(fù)載是既吸收一部分功率又反射一部分功率的負(fù)載。實(shí)用中的失配負(fù)載都做成標(biāo)準(zhǔn)失配負(fù)載，具有某一固定駐波比。常用于微波測(cè)量中做標(biāo)準(zhǔn)終端負(fù)載。8.2雙口元件

Two-PortElement

雙口元件是在微波中應(yīng)用最多的一種元件，按功能分類如下圖所示。雙口元件方向變換信號(hào)變換波形變換連接元件，拐角，扭轉(zhuǎn)移相器，衰減器，濾波器同軸波導(dǎo)轉(zhuǎn)換，方圓轉(zhuǎn)換與單口元件相似，雙口元件一般采用網(wǎng)絡(luò)理論進(jìn)行分析。但是，在這里值得指出：元件的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)本身還是需要用場(chǎng)論方法求得，或者實(shí)際測(cè)量得到。從這個(gè)意義上講，場(chǎng)論是問題的內(nèi)部本質(zhì)，而網(wǎng)絡(luò)則是問題的外部特性。一、雙口網(wǎng)絡(luò)的S參數(shù)已經(jīng)知道，雙口網(wǎng)絡(luò)可以用S參數(shù)加以表示。

無耗，互易網(wǎng)絡(luò)［S］+［S］=［I］

展開可得具體寫為上式中第一個(gè)稱為振幅條件，第二個(gè)稱為相位條件。性質(zhì)：一端口匹配，另一端口自動(dòng)匹配；若網(wǎng)絡(luò)完全匹配，則完全傳輸相角只有兩個(gè)獨(dú)立。

方向變換元件包括連接元件、拐角、扭波導(dǎo)，見圖所示。二、方向變換元件

方向變換元件將作用不同的微波元件連接成完整系統(tǒng)三、傳輸線尺寸變換元件

特性阻抗相同但尺寸不同的傳輸線之間的連接問題。例子：特性阻抗相同尺寸不同的同軸線連接。(a)直接對(duì)接交界處尺寸突變會(huì)使電場(chǎng)產(chǎn)生變形，即激勵(lì)起了非傳輸型的高次模；相當(dāng)于并聯(lián)了一個(gè)電容jb。若由連接處向兩邊看去是匹配的，則當(dāng)b很小時(shí)，不連續(xù)性越大，頻率越高，失配也越嚴(yán)重，會(huì)降低功率容量。(b)移位補(bǔ)償結(jié)構(gòu)將內(nèi)外導(dǎo)體的突變處沿軸線錯(cuò)開一段距離l。處于l段內(nèi)的這段同軸線的單位長(zhǎng)度的電感為：l段同軸線單位長(zhǎng)度電容為：當(dāng)l比工作波長(zhǎng)小得多時(shí)，該段線可等效為一個(gè)串聯(lián)電感，把l段兩端的不連續(xù)處的影響用C1和C2等效。網(wǎng)絡(luò)的特性阻抗近似為：選擇l的長(zhǎng)度，使之近似等于l兩端同軸線的特性阻抗，就能在較寬的頻帶內(nèi)使原來的兩根同軸線連接之后近似地實(shí)現(xiàn)匹配。(c)錐形過渡段為使過渡段內(nèi)的特性阻抗等于左右兩段的值，并保持不變，要求過渡段內(nèi)外導(dǎo)體的錐面共頂點(diǎn)，兩錐形的底部處于同一平面內(nèi)，即交界處仍有不連續(xù)電容影響，可以通過減小錐角降低。其它：四、階梯式阻抗變換元件

階梯式阻抗變化器：由兩個(gè)特性阻抗不同的傳輸線之間插入一段或多段不同特性阻抗的傳輸線，適當(dāng)選取其長(zhǎng)度、特性阻抗的值和節(jié)(段)數(shù)，就可以在一定帶寬內(nèi)使駐波比低于某個(gè)給定的值。四分之一波長(zhǎng)阻抗變換器（可用于TEM傳輸線，也可用于工作在單模的波導(dǎo)）變換段的特性阻抗為應(yīng)用同軸線四分之一阻抗變換器Z0線和Z2線內(nèi)導(dǎo)體的外直徑d0=d2，但外導(dǎo)體的內(nèi)直徑不等，可選變換段內(nèi)導(dǎo)體的外直徑d1=d0=d2，外導(dǎo)體的內(nèi)直徑D1可由Z1的值確定。Z0線和Z2線內(nèi)外導(dǎo)體的尺寸都不等，可先按要求選定變化段的一項(xiàng)（內(nèi)或外）的尺寸，然后由Z1確定另一項(xiàng)的尺寸。d1介于d0和d2之間的尺寸，D1介于D0和D2之間。矩形波導(dǎo)四分之一阻抗變換器TE10模的波導(dǎo)波長(zhǎng)變換段的長(zhǎng)度為等效阻抗：與b/a有關(guān)，也與波長(zhǎng)有關(guān)。只有當(dāng)兩個(gè)波導(dǎo)的寬壁的內(nèi)尺寸相等時(shí)，其等效阻抗的比值才等于兩者的窄壁內(nèi)尺寸之比，且與頻率無關(guān)，即為單純的阻抗變換。五、信號(hào)變換元件1．膜片（匹配元件）膜片可分成感性膜片、容性膜片和諧振窗。容性膜片一壓縮電場(chǎng)

感性膜片一壓縮磁場(chǎng)

根據(jù)要求，容性膜片區(qū)域把電場(chǎng)壓縮而使，感性膜片區(qū)域把磁場(chǎng)壓縮使，它們都可成為匹配元件。諧振窗諧振窗可以看作是感性膜片和容性膜片的結(jié)合，它對(duì)某一特定頻率產(chǎn)生諧振，電磁波可以無反射地通過，構(gòu)成無反射元件。其等效電路相當(dāng)于并聯(lián)諧振回路。

2.相移器和衰減器相移器和衰減器是最基本的兩種元件，它們可以起調(diào)節(jié)相移和衰減的作用。在波導(dǎo)中放置介質(zhì)片(陶瓷、硅酸鹽玻璃等材料)制成，如作為衰減器這表面涂以金屬粉末，石墨粉等電阻性材料。極化衰減器

特別要提及的是圓波導(dǎo)(采用TE11模)極化衰減器，它利用高損耗材料的吸收片，將其中一種極化吸收掉。如圖所示，它專門吸收u向極化波。

因此全部變換可寫成極化衰減器分析框圖我們可以用網(wǎng)絡(luò)給出完整的分析(輸入v輸出都是y向極化)。也即具體問題中Exin=0，則有一般做到e-al→0，這時(shí)衰減這是極化衰減器的最基本的公式。y模式

u模式v模式maxL=8.686al＞50dB

極化衰減器的最大優(yōu)點(diǎn)是與頻率無關(guān)，所以它是寬帶器件。

3.鐵氧體隔離器鐵氧體隔離器也稱單向器。當(dāng)

=90°時(shí)理論衰減為∞，實(shí)際上注意：這是一種非互易網(wǎng)絡(luò)S12≠S21。一般正向衰減＜0.5dB，反向衰減＞20dB。使用隔離器可以把負(fù)載由于不匹配造成的反射波在經(jīng)過隔離器時(shí)被吸收掉，而不再返回信號(hào)源，使信號(hào)源穩(wěn)定地工作。分為：法拉第旋轉(zhuǎn)式隔離器、諧振吸收式隔離器和場(chǎng)移式隔離器。六、波型變換元件典型的是同軸-波導(dǎo)轉(zhuǎn)換。為了提高轉(zhuǎn)換效率，可調(diào)節(jié)探針深度和短路活塞位置。

同軸線的外導(dǎo)體與矩形波導(dǎo)的寬壁連在一起，內(nèi)導(dǎo)體的延伸部分(探針)插入波導(dǎo)中，形成一個(gè)小輻射天線，在波導(dǎo)中激勵(lì)出TE10模的電磁波。為使能量單向傳播，在波導(dǎo)中距探針l處裝置了一個(gè)可調(diào)短路活塞。矩形波導(dǎo)-圓形波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器8.3多口元件Multi-PortElement

多口網(wǎng)絡(luò)在微波工程中承擔(dān)分路(功率分配)、和差、環(huán)行、耦合等等重要功能。圖多端口元件功能

一、三口網(wǎng)絡(luò)的一般性質(zhì)

1.無耗互易網(wǎng)絡(luò)的么正性[S]+[S]=[I]具體應(yīng)用互易條件有將上述矩陣展開后可分別得到兩組方程，我們稱之為振幅條件和相位條件。[性質(zhì)］無耗互易三端口網(wǎng)絡(luò)不可能同時(shí)匹配，即S11=S22=S33=0

［證明]采用反證法：假定S11=S22=S33=0,可知

于是在S12，S13，S23至少有兩個(gè)為0，但這與振幅條件相悖，得證。

作為例子，有

2.無耗非互易三口網(wǎng)絡(luò)［性質(zhì)］無耗非互易三口網(wǎng)絡(luò)的三個(gè)端口可以完全匹配。1.E面T和H面T—分路元件E面TH面T串接元件并接元件①端輸入，②和③端功率平分，相位相反。用于和差：②和③同相等幅輸入，①端無輸出；②和③反相等幅輸入，①端輸出最大。④端輸入，②和③端功率平分相位相同。用于和差：②和③端同相等幅輸入，④端輸出最大；②和③端反相等幅輸入，④端無輸出。二、三口元件

2.鐵氧體環(huán)行器——環(huán)行元件理想s矩陣[解]由［S］參數(shù)定義寫出而，計(jì)及這一條件即可導(dǎo)得寫出雙口網(wǎng)絡(luò)的［S］矩陣只要

L很小，即可得到典型的隔離器。

[例1]理想環(huán)行器端口③接匹配負(fù)載，即可構(gòu)成二端口隔離器。三、四口網(wǎng)絡(luò)的一般性質(zhì)

1.定向耦合網(wǎng)絡(luò)定向耦合網(wǎng)絡(luò)是一種常用的四端口網(wǎng)絡(luò)，它一般規(guī)定,是無耗互易網(wǎng)絡(luò),每對(duì)端口相互隔離:

其中一對(duì)匹配:符合上述條件的即可稱為定向耦合器，其［S］矩陣是圖定向耦合器根據(jù)么正性又寫出要滿足左式當(dāng)且僅當(dāng)|S33|=|S44|=0

從相位關(guān)系得到的方程是

若選擇適當(dāng)?shù)膮⒖济媸筍13=S24=a

是實(shí)數(shù)，則而從上面方程能給出這樣［S］矩陣是也就是說，理想的定向耦合器，主路和副路相位差90°，也稱為90°定向耦合器。

2.對(duì)稱定向耦合器網(wǎng)絡(luò)我們研究一種四端全對(duì)稱的定向耦合器網(wǎng)絡(luò)，有條件于是，散射矩陣成為且由無耗的么正性條件寫出把上式重新排列進(jìn)一步可簡(jiǎn)化為現(xiàn)在我們討論一種比較接近實(shí)際的情況，即端口①和端口②理想隔離S12＝0

則可得到對(duì)于實(shí)際的定向耦合器，S13=0和S14=0是我們所不希望的，將它們排除在討論之外，那么，要滿足上式當(dāng)且僅當(dāng)S11=0

且方程進(jìn)一步簡(jiǎn)化為由此可得到或者說從對(duì)稱定向耦合器中我們可以得到十分重要的性質(zhì)：

·定向耦合器的端對(duì)隔離和端口固有反射密切相關(guān)；

·定向耦合器的主副路相差也和端對(duì)隔離密切相關(guān)；

·因此，在工程中常常采用考察輸入反射和路間相差來別斷這類定向耦合的質(zhì)量?jī)?yōu)劣。也即對(duì)于理想的3dB橋代入上式可知|S11|≈|S12|

另一方面，由

3.3dB橋網(wǎng)絡(luò)我們把主副路功率相等的稱之為3dB網(wǎng)絡(luò)，重新寫出又可得到考慮最壞可能性，即

1=2其中，I是隔離度，定義為，可由相差確定隔度度。

圖隔離度I與相差關(guān)系

1.